数字流域架构与软件体系研究

刘佳璇，黄 梅

（1.北京市水土保持工作总站，100038，北京；2.云南省勐海县水利局，666200，勐海）

“数字流域”是“数字地球”的一个重要层次，是数字地球概念的具体运用。通过综合运用遥感、地理信息系统、全球定位系统、网络技术、多媒体及虚拟现实等现代高新技术对全流域的地理、自然、生态、人文、社会和经济状态等各种信息进行采集和数字化管理，构建全流域综合信息平台。

为适应现代流域管理和信息化建设的需要，通过数字流域建设，可以使各级部门能够有效管理整个流域的经济建设，增强流域管理决策的科学性。其核心思想是,用数字化的手段，整体性地解决流域管理问题，最大限度地实现资源共享。

一、数字流域的理念产生

20世纪80年代初期到90年代中期，计算机技术应用兴起，部分发达国家随之开展数字化、建模、虚拟仿真的研究。在不到30年时间里，现代科学技术在传统水利上的应用突飞猛进，流域管理的观念产生根本改变。实现流域的数字化管理，是世界各国发展和追求的共同目标。数字流域的研究和建设非常迅猛，但数字流域的概念比较多样化。

发达国家在数字化管理方面的研究和应用起步较早，将数字流域与流域管理紧密结合，现代科学技术在传统水利上得到了充分的应用。如美国、加拿大、日本、澳大利亚及西欧发达国家，在自然资源管理、流域现代化管理等工程中已获得良好的效益。

1998年中国工程院张勇传院士提出了“数字流域”的思想并结合湖北清江流域的水能综合利用与经济发展提出“数字清江”的构想，这是我国学者首次提出“数字流域”概念。近年，我国信息化发展迅速，各地纷纷响应数字流域建设。目前，我国在数字流域基础平台建设方面已经初具规模。先后提出“数字黄河”“数字黑河”“数字海河流域”“数字清江流域”和“数字长江”等各种大小流域工程的设计思想及研究方法。

对“数字流域”一直以来没有明确的定义和含义。由于认识的差异，现有数字流域建设，普遍情况是包括数据库及查询系统、数字化三维虚拟演示系统，以及集成了局部应用模型的封闭系统和网络环境下包括信息传输的信息系统，更多的是包罗众多应用技术在内的集成系统。

二、数字流域的构架

数字流域的核心是构建一个流域性的地理信息系统，以流域空间信息为基础，融合流域内各种数字信息，建立系统平台，对真实流域及其相关现象统一数字化重现，它把流域搬进了实验室和计算机，成为真实流域的虚拟对照体。根据数字流域整体思想，普遍认为数字流域整体结构包括3个层面的内容，即数据层、模型层、应用和综合决策层。由于数字流域没有明确的定义，数字流域的构架方案也不尽相同。通常，数字流域的架构遵循以下原则：①要构建规范统一的共享平台，消除信息壁垒和信息孤岛，提高信息资源效率。②必须考虑流域和行政两个空间逻辑的统一性，注重海量空间数据连续分析。③科学实用,立足长远，近处着手。

综上所述，本研究分析数字流域构架分为用户层、应用和综合决策层、模型层、数据层。具体设计如图1。

1.用户层

用户层作为流域管理相关职能部门业务应用系统的集成平台与对外信息服务的窗口，按照不同权限划分为决策人员、业务人员、社会公众等3种用户。采用门户技术实现对内业务管理和对外业务受理与信息发布的服务。

2.应用和综合决策层

以流域空间信息和业务数据为流域管理业务支撑，建立数字流域管理业务逻辑，构建各项管理事务流程，涵盖业务分析、管理、信息服务等内容。

应用和综合决策层在数据层和模型层的基础上提供两种类型的服务，即数据提供和决策支持。数据提供服务包括各种形式的数据查询和显示，决策支持服务是在数据层数据和模型模拟结果数据的基础上综合应用专家知识库和各种评价体系进行决策评价，并给出处理方案。

3.模型层

模型层是由各种能够模拟流域某种现象或行为的功能模块组成，现有的这些模块只能模拟有限的行为，需要不断完善。流域的各种过程非常复杂，如洪涝过程、水污染迁移降解过程、流域生源物质的输移转化过程、城市化过程、社会经济发展过程等。流域事件往往同时涉及多个过程，各模型与数据的融合，模型如何利用数据得到分析结果，以及分析结果如何作为数据中心的数据源为决策者和公众提供服务等，都是需要解决的关键问题。

当今数字流域涉及的模型有：流域空间分析模型、分布式时空水文模型、气象模型、水环境模型、水资源模型、防洪减灾决策模型、水土保持模型、其他专业模型等。

图1 数字流域构架图

4.数据交换平台

数据交换平台主要为数据流域空间信息和业务数据共享服务，可有效隔离下层数据与上层应用之间的直接联系，方便系统灵活扩展。

5.数据层

数据层也叫数字流域基础层，是数字流域建设的基础平台。包括数据采集、数据管理、数据挖掘和数据分析。数据层是模型层的基础。

数据层是信息汇集的目的地，是数据存储与管理的基础。业务数据存储包括：水资源数据库、水文数据库、水土保持数据库、水利工程数据库、社会经济数据库等各类和流域相关的专题数据库，及与其对应的元数据库、代码库。针对不同业务级别和分工，还应建立权限管理数据库。数据的存储区可以分相对静态空间数据及业务动态数据，要充分考虑数据量、数据结构、数据时序，优化应用。

6.关键技术支撑

数字流域的关键技术主要有：基本地理信息技术数字仓储技术、模型库技术、决策支持技术、基于DEM的流域地型自动提取和分析技术、流域—水系拓扑技术、海量栅格数据管理、海量连续分析技术信息共享与互操作、虚拟现实技术等。

三、数字流域软件体系

数字流域系统是一个庞大的系统工程。从软件体系结构设计的角度出发，其涉及领域庞大、复杂易变，应用系统服务数量和种类繁多，系统之间的交互关系复杂，数字流域系统部件之间存在很多相似。尽管数字流域软件体系庞大而复杂，这些复杂关系却也正是数字流域系统软件体系结构设计的基础。本文介绍3种数字流域软件体系结构：正交软件体系结构、三层C/S软件体系结构、C/S和B/S混合软件体系结构。

1.正交软件体系结构

正交软件体系结构由组织层和线索的构件构成。组织层是由一组具有相同抽象级别的构件构成。线索是子系统的特例，它是由完成不同层次功能的构件组成并通过相互调用实现关联，每一条线索完成整个系统中相对独立的一部分功能。与其他线索的实现无关或关联很少，在同一层中的构件之间不存在相互调用。

正交软件体系结构其结构清晰，易于理解。由于线索之间相互独立，当软件需求发生变化时，可以将新需求分解为独立的子需求，然后以线索和其中的构件为主要对象，分别对各个子需求进行处理。

根据正交软件体系结构模式和特定流域的应用需求，数字流域正交软件体系设计如图2。某数字流域—水土保持—水土保持监测预报—降雨量监测—土壤侵蚀模型—数字流域综合数据库是一条线索，ABCDEF也是一条线索。

2.三层C/S软件体系结构

C/S软件体系结构，即Client/Server（客户机/服务器）结构，将应用一分为二，服务器（后台）负责数据管理，客户机（前台）完成与用户的交互任务。三层C/S结构是将应用功能分成表示层、功能层和数据层等3个部分。

从数字流域的功能需求上，根据三层式C/S体系结构模式，对应地将系统分为数字流域基础信息平台、数字流域专业应用系统和数字流域综合管理与决策系统。如图3所示。

在三层式C/S软件体系结构中，数据库应用程序一般分为若干部分，分别运行在不同的计算机上，通过局部网络或Internet共享数据信息。三层C/S软件体系结构采用多层分布式应用程序服务组件开发，为数字流域系统的功能提供了良好的结构扩展空间。对各个子系统用不同语言编写的情况，采用三层C/S软件体系结构，可以使系统在逻辑上保持相对的独立性，从而使系统整体逻辑结构更为清晰。根据应用扩展，可灵活地配置系统软、硬件平台，以提高系统的整体性能。数据库的建立也可以采取异构数据源互联结构。利用功能层有效地禁止非授权的访问数据库服务器，提高了系统的安全性。另外，三层C/S软件体系结构模式容易向B/S模式转换，具有很好的应用前景。

3.C/S与B/S混合软件体系结构

B/S结构（Browser/Server结构）即浏览器和服务器结构。它是随着Internet技术兴起，对C/S结构的一种改进的结构。在这种结构下，用户界面是通过www浏览器来实现的，极少部分事务逻辑在前端实现。在全球信息网络化的今天，网络查询成为大众的生活方式，作为流域管理，其各方面的动态变化都与人们的生活息息相关。所以，流域信息通过网络和通信协议发布出来，具有类似因特网的互操作性，可实现对流域地理数据信息的查询、共享和可视化及相关空间分析交互操作。

C/S软件体系结构中，客户端的应用程序配置复杂，特别是对于非专业的公众用户而言，Internet结构中的浏览器足以满足需要。因此，在应用结构中将B/S与C/S结合不仅满足专业用户的需求，而且也可以为公众用户提供一定的服务。将网络与流域各类数据信息集成在一起，实现流域空间数据及其处理方法最大化的方便和有效的共享。

与C/S体系结构相比，B/S体系结构也有许多不足。B/S体系结构对动态页面的支持能力仍然有限，数据库处理功能不足，系统扩展能力差，安全性难以控制，采用B/S体系结构的应用系统，在数据查询响应速度等性能上，要远远低于C/S体系结构。B/S体系结构的数据提交一般以页面为单位，数据的动态交互性不强，不利于在线事务处理应用。

根据上述特点，数字流域软件体系采用C/S与B/S混合软件体系结构，具体设计如图4所示。

图2 数字流域正交软件体系结构图

图3 数字流域三层C/S体系结构图

C/S与B/S混合软件体系结构，是一种典型的异构体系结构，此结构既发挥了C/S体系结构的优点，又利用B/S体系结构的特点解决了C/S体系结构的不足。这一结构在数字流域应用上具有很好的前景。

四、数字流域应用

流域是一个有机的整体，其资源和环境、自然和社会经济密不可分，势必需要从整体上全面地进行管理。数字流域是指以地理空间数据为基础，具有多维显示和表达流域状况的虚拟流域。数字流域是对流域过去的记录和展示，对现在的数字实时在线，以及对流域未来的预测。所以，数字流域是流域现代化管理的重要技术手段，是我国流域管理的发展方向。

图4 数字流域C/S与B/S混合软件体系结构图

数字流域作为一个信息共享服务的基础平台，具有广泛的应用前景，可以包括洪涝灾害的预警与损失评估、环境变化对生物多样性的影响、水资源的合理配置与管理调度、流域过程模拟、物质迁移与输送、水土保持监测、水利工程建设管理、农业结构优化与布置、土地利用结构变化、水利勘测规划设计、水利数字图书馆、办公自动化系统、水利信息政府服务和公众服务等。数字流域可以对重大决策实行全流域数字仿真预演，为流域经济带的可持续发展提供决策支持。同时，在国家重大项目的决策、工程项目设计与建设、社会生活等方面，数字流域也能够提供全面、高质量的服务。数字流域整体性和系统性的全局观念，将为资源开发与管理带来崭新的局面。

数字流域的具体应用主要包括决策和实施两个阶段。决策是建立在全面分析流域信息的基础上，综合考虑各方面因素，根据所建立的决策模型和决策支持系统作出决策，并制定相应的实施措施。实施是对决策的执行，包括命令的下达、接收及采取相应的措施。从决策到实施的过程要以数字流域的技术体系为基础，才能发挥最佳效益。

在数字流域的构架和软件体系设计上，可根据业务需求选择。正交软件体系结构和三层C/S软件体系结构适用于业务部门内部使用，专业性较强，安全性要求较高或涉及机密的业务。C/S与B/S混合软件体系结构，可以全面、整体地管理业务，在部门内部可使用C/S结构，社会公众浏览、通知公示等内容可用B/S结构实现。

五、结 语

数字流域是数字地球在流域尺度上的一种尝试。目前，数字流域的研究和建设发展迅速，但还存在一些问题，如数据共享无法实现、缺乏强有力底层核心技术支撑、难以提高应用效益等。数字流域的建设需要多种理论和技术的高度集成和应用，其架构和软件体系研究也需要在实践中继续探索。

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